Como as maiores estruturas do Universo podem revelar a natureza da energia escura

crédito: D. Long, SDSS-III

O padrão de furos na bela placa de alumínio da foto acima foi perfurado para combinar com o arranjo das galáxias em um trecho particular do céu. Do tamanho de tampas de esgoto, 2.200 dessas placas são usadas, uma de cada vez, por uma hora no foco primário do telescópio de 2,5 metros do Apache Point Observatory, Novo México, EUA. Quando o telescópio aponta na direção certa, a luz de cada galáxia passa pelo seu respectivo furo. Essa luz é então decomposta em seus comprimentos de onda constituintes e usada para determinar o quão rápido cada galáxias está se afastando de nós, por conta da incessante expansão do espaço do Universo, que está sendo acelerada pela misteriosa energia escura.

Esse estudo chamado de BOSS (Varredura Espectroscópica de Oscilações Bariônicas, em inglês) é o destaque de uma reportagem de Eric Hand, publicada na Nature desta semana. O BOSS começou em 2009 e deve até o seu final coletar dados de 1,5 milhões de galáxias. Seu objetivo é determinar se a influência da energia escura tem permanecido constante ou variou sutilmente ao longo dos bilhões de anos da história cósmica.

Segundo Hand, até agora, os dados coletados do BOSS deram a sua equipe:

(…) um vislumbre da estrutura cósmica ao mostrar onde as galáxias estão se aglomerando, como as cristas de ondas gigantes. A estrutura é uma rélica de um universo muito menor e mais jovem, no qual ondas acústicas reverberaram através do plasma denso e quente que ainda não havia resfriado o suficiente para formar estrelas e galáxias. Essas ondas chamadas de oscilações acústicas bariônicas (BAOs), empurraram a matéria para dentro de regiões de alta ou baixa concentração, espaçadas igualmente uma das outras – um padrão que evoluiu, em épocas posteriores, em paredões e filamentos de galáxias que são as maiores estruturas no Universo.

Detectadas pela primeira vez em 2005, o espaçamento regular entre as estruturas cria uma régua cósmica natural. No universo atual, esse espaçamento é de cerca de 150 megaparsecs (500 milhões de anos-luz). Ao detectar desvios dessa régua, o BOSS oferece a restrição mais firme até agora sobre a influência da energia escura.

Varreduras de poderosas explosões conhecidas como supernovas tipo Ia forneceram as primeiras pistas da energia escura em 1998. Acredita-se que essas supernovas alcancem o mesmo pico de brilho, permitindo que sejam usadas como velas padrões para determinar as distâncias de suas galáxias hospedeiras. Quando esses dados são combinados com medidas de quão rápido as supernovas estão recuando, eles revelam que a expansão do Universo está acelerando em vez de desacelerar sobre influência da gravidade. Uma explicação é que a energia escura é a “constante cosmológica”, uma pressão repulsiva inata ao vácuo do espaço. O BOSS é esperado estreitar a incerteza desse modelo em alguns por cento. LINK

Dia 11 de janeiro, a equipe do BOSS deve anunciar seus achados iniciais, baseados em dados de 470 mil galáxias, no encontro da Sociedade Astronômica Americana, em Austin, Texas, EUA.

As oscilações acústicas bariônicas (em roxo) surgiram na mesma época que a radiação cósmica de fundo (à esquerda), 300 mil anos depois do big bang, quando o universo se tornou transparente a radiação eletromagnética. Eventualmente essas oscilações deram origem a maneira como as galáxias estão organizadas. Crédito: Chris Blake e Sam Moorfield

Nos planos dos astrônomos está o BigBOSS que a partir de 2018 vai passar cinco anos observando 20 milhões de galáxias tão distantes quanto 10 bilhões de anos-luz, junto com 4 milhões de quasares, os núcleos luminosos de galáxias ainda mais distantes. Isso permitira traçar a influência da energia escura ao longo de quase todas a história cósmica e discernir se ela realmente tem permanecido constante.

Segundo Hand, os experimentos observando BAOs, como o BOSS e o australiano WiggleZ, começam a ganhar importância justo quando os estudos de supernovas chegam no seu limite, devido a incertezas no brilho das explosões.

Hand também cita outro tipo de observação que pode dar pistas sobre a energia escura, que mede o quanto a gravidade de grandes aglomerados de matéria distorcem a luz de galáxias mais distantes, as chamadas lentes gravitacionais fracas. O experimento Dark Energy Survey (DES), que conta com pesquisadores brasileiros, deve começar ainda este ano a capturar imagens de 300 milhões de galáxias com uma câmera de 570-megapixels instalada em um telescópio no Chile. Um dos desafios do DES será dar conta da cintilação da atmosférica, fenômeno que não interfere tanto assim nas observações do espectro de galáxias que o BOSS faz.

lente gravitacional fraca obtida pelo telescópio Hubble

Inventário da energia do Universo

O Universe Today destacou ontem um gráfico criado pelo físico e educador da área de astronomia Markus Pössel, que mostra todas as formas em que a energia total do Universo assume no presente e as suas proporções. O gráfico é baseado em um inventário compilado em 2004 pelos físicos Masataka Fukugita e James Peebles, que por sua vez é baseado em inúmeras observações astrofísicas e em nossas melhores explicações para elas até agora.

Inventário da energia cósmica por Markus Pössel. Clique na imagem para visulalizar uma versão maior

Deixem-me explicar um pouco do gráfico. Como vocês devem saber, a energia nunca é uma “coisa” por si só – não existe esse negócio de “energia pura”. Energia sempre existe na forma de alguma coisa, seja na forma de partículas de matéria (E = mc2!), seja na forma de partículas mediadoras das forças fundamentais. No gráfico dá para ver que a energia do Universo aparece essencialmente em seis formas diferentes:

matéria “bariônica” ordinária – a matéria de que nós e o resto dos planetas são feitos, isto é, prótons, neutrons e elétrons.

radiação – mais especificamente, radiação eletromagnética, que é constituída de partículas chamadas fótons.

neutrinos – partículas extremamente leves que quase não interagem com a matéria bariônica. Trilhões deles atravessam seu corpo a cada segundo sem que você perceba

energia de ligação (negativa) – é a energia que mantém partículas unidas, por forças gravitacionais, eletromagnéticas ou nucleares. No balanço total da energia do Universo, ela conta como negativa, porque representa o déficit de energia que seria necessário superar para “desligar” totalmente as partículas constituintes umas das outras.

matéria escura – até hoje não detectada diretamente mas cuja influência gravitacional governa a formação das estruturas em larga escala do universo

energia escura – mais misteriosa que a matéria escura, seja lá o que for, diferente da matéria normal tem uma pressão negativa, que faz com que o Universo acelere sua expansão

Agora vamos examinar cada tipo específico de energia mencionado no gráfico em ordem crescente de contribuição para o total da energia do Universo:

planets (planetas) – É nóis. O número é uma estimativa do número de planetas no universo baseado no sistema solar – uma parte por milhão (ppm)

stellar-era radiation – radiação eletromagnética emitida por estrelas e em discos de gás em núcleos de galáxias ativas nos últimos bilhões de anos – 2 ppm

dust (poeira) – quantidade de poeira cósmica, baseada em observações da Via Láctea – 2,5 ppm

stellar- neutrinos – neutrinos produzidos durante explosões de supernova, formação de anãs brancas e pela atividade normal de fusão nuclear das estrelas – 3,2 ppm

SMBHs – energia na forma de buracos negros supermassivos que devem existir no centro da maioria das galáxias – mais de 4 ppm

stellar-era nuclear binding – energia de ligação associada ao processo de fusão nuclear nas estrelas – 6,3 ppm negativos

gravitational binding energy – energia de ligação devida a atração gravitacional que formou a estrutura de estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias do Universo – 13,4 ppm negativos

neutron stars– estrelas de nêutrons – 0,005 %

cosmic background radiation – radiação cósmica de fundo – 0,005%

primordial nuclear binding – energia de ligação que formou os
primeiros núcleos atômicos nos primeiros três minutos depois do big bang – 0,008%

black holes – buracos negros de massa estelar – 0,007%

 

brown dwarfs – anãs marrons – 0,014%

molecular gas – gás molecular, a maior para na forma de moléculas de H2 − 0,016%

white dwarfs– anãs brancas – 0,036%

H and He atoms – átomos de hidrogênio e hélio ionizados dentro das galáxias – 0,062%

neutrino background – fundo cósmico de neutrinos, formado na mesma época que a radiação cósmica de fundo – 0,13%

 

plasma in galaxy clusters – gás ionizado (plasma) preenchendo o vazio entre algomerados de galáxias – 0,18%

ordinary stars “main sequence” – estrelas normais da sequência principal mais ou menos massivas que o Sol – 0,205%

warm intergalactic plasma – porção de plasma não detectada diretamente pelos telescópios, mas cuja existência é deduzida a partir de medidas da radiação cósmica de fundo e da abundância dos elementos leves – 4%

dark matter – matéria escura – 23%

dark energy –  energia escura – 72%

Conclusão humilhante n° 1:  a energia da qual somos feitos representa uma fração ridícula do total do Universo.

Conclusão humilhante n° 2:  95% da energia do Universo está em formas sobre as quais sabemos quase nada.

Nobel de Física em 1 minuto

Um disco de gás esconde uma anã branca que suga material da estrela maior

Há essa altura do campeonato todo mundo já sabe que o Prêmio Nobel de Física de 2011 foi concedido a um trio de astrônomos que lideraram nos anos 1980 e 1990 observações precisas de explosões estelares em galáxias distantes chamadas de supernovas tipo Ia. Elas acontecem quando uma estrela pequena mas muito massiva, conhecida como anã branca, engole demais o gás de uma estrela maior próxima a ela.

Como essas explosões brilham sempre do mesmo jeito, a intensidade desse brilho depende exclusivamente da distância. Isto é, quanto mais distante a supernova de nós, mais fraco o seu brilho, o que permitiu aos astrônomos determinar a distância das galáxias com precisão. Comparando essa distância com a velocidade com que essas galáxias estão se afastando de nós, medida pelo avermelhamento da luz delas, eles descobriram algo extraordinário: a expansão acelerada do Universo.

Aqui vai uma explicação dessa descoberta em um minuto, nesta animação da série Minute Physics, feita por Henry Reich. Este episódio tem a participação especial do cosmólogo Sean Carroll, como narrador. Ah, e as legendas toscas em português são minhas…

 

P.S.: Como é bom quebrar o jejum de blogar! Vou retornar aos poucos. Fiquem ligados!

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